[發(fā)明專利]二氧化硅生產(chǎn)高純度硅的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680053414.8
• 申請日: 2016-08-08
• 公開（公告）號: CN108025917A
• 公開（公告）日: 2018-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 阿里·沙弗迪;皮埃爾·卡賓
• 申請（專利權）人: 派洛珍尼西斯加拿大公司
• 主分類號: C01B33/025
• 分類號: C01B33/025;C01B33/023;F27B3/08;C30B29/06
• 代理公司: 北京鍾維聯(lián)合知識產(chǎn)權代理有限公司 11579
• 代理人: 羅銀燕

公開了使用真空電弧爐、由含二氧化硅的材料如石英或石英巖生產(chǎn)高純度硅的設備和方法。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2015年8月7日提交的目前未決的第62/202,452號美國臨時申請的優(yōu)先權，其通過援引并入本文。

技術領域

本主題涉及硅的生產(chǎn)，更具體地，涉及由二氧化硅生產(chǎn)硅。

背景技術

生產(chǎn)金屬硅的主要方法之一基于二氧化硅在高溫下的碳熱還原。這可以通過在電弧爐中于碳的存在下通過還原二氧化硅而實現(xiàn)。常規(guī)方法依賴于在環(huán)境壓力下的二氧化硅至硅的直接還原，其中高溫電弧加熱反應物以形成硅。用這種方法生產(chǎn)的硅產(chǎn)品也稱為冶金等級硅(MG-Si)，據(jù)信其純度最多不大于98-99％。MG-Si直接用于鋁工業(yè)和鋼鐵工業(yè)(作為添加劑)或作為生產(chǎn)更高純度等級的硅材料(例如太陽能等級硅(SoG-Si)和電子等級硅(EG-Si))的前體。因此，更高等級的硅是較低等級的硅(MG-Si)被精制成較高純度的產(chǎn)物。精制過程是經(jīng)由兩個主要途徑的后純化過程：化學途徑和冶金途徑。

太陽能和電子應用的進展已經(jīng)導致硅成為21世紀的戰(zhàn)略材料。因此，以合理的成本供給高純度硅，已經(jīng)成為需求。

現(xiàn)有的常規(guī)碳熱硅生產(chǎn)工藝具有缺點和限制，其包括，但不限于，硅中的高雜質含量(這阻礙了硅在諸如太陽能的諸多應用中的直接使用)和對原材料純度的高依賴性。

以下技術也是已知的。

在Seward等人于1909年3月30日發(fā)表且名為“硅的生產(chǎn)”的第916,793號美國專利(文獻[1])中，電弧爐用于二氧化硅至硅的直接碳熱還原。雙電極(twin electrode)直流配置用于在兩個陰極與底部陽極之間產(chǎn)生電弧。純焦炭和基本純的二氧化硅用于硅生產(chǎn)。其中沒有方法建議去除作為主要副產(chǎn)物的CO(g)或在該工藝期間形成的冷凝物質。該公開內(nèi)容僅涵蓋了窄范圍的原材料(具有級高純度(“純的”)那些)。

Kuhlmann于1965年11月2日發(fā)表且名為“金屬硅生產(chǎn)”的第3,215,522號美國專利(文獻[2])涉及在電弧爐中生產(chǎn)金屬硅和含有金屬硅的合金的方法。與前述第916,793號美國專利類似，二氧化硅的碳熱還原在其中用于電弧爐中的硅生產(chǎn)。由一種或兩種反應物(即，二氧化硅和碳源)組成的進料穿過中空電極被供給至該爐。與第916,793號美國專利相比，該公開內(nèi)容被認為是一種改進，其中可以實現(xiàn)更細小的進料和更少的電極消耗。中空電極用于將細小尺寸的反應物帶入爐中。盡管細小尺寸的顆粒在路線中具有大的堵塞趨勢，但是該問題在第3,215,522號美國專利中并未解決。此外，反應物會在電極的尖端堵塞，其中溫度足夠高以使二氧化硅半熔化，這增加了堵塞的趨勢。該問題也未在第3,215,522號美國專利中解決。

Arvidson等人于1991年4月23日發(fā)表并名為“直流電爐中的硅熔煉工藝”的第5,009,703號美國專利(文獻[3])旨在通過施加直流電(DC)來替代交流電(AC)系統(tǒng)并且與無蓋爐相反在爐的閉合配置中進行還原工藝來增強現(xiàn)有技術的能耗。該公開內(nèi)容提供了在閉頂?shù)臓t中使用DC電源生產(chǎn)金屬硅的更節(jié)能的工藝。

Goins,Jr.等人于1992年4月14日發(fā)表且名為“用于制備元素硅及其合金的熔煉設備”的第5,104,096號美國專利(文獻[4])涉及用于以基本純的形式生產(chǎn)金屬硅的電冶金方法和設備。在電弧爐中使用碳質還原劑來還原二氧化硅，其中一部分二氧化硅被還原成金屬硅并且一部分轉換成氣態(tài)氧化物。收集至少一部分氣態(tài)氧化物。通過在收集的氧化物與碳質還原劑床之間建立和保持逆流接觸，產(chǎn)生另外的元素硅。氣體收集通過一個或多個中空電極或者一個或多個抽取管來完成。這種注入使用了中空電極或抽取管以收集一部分氣體氧化物(為SiO(g))。使用中空管或電極來捕獲可冷凝的氣體構成挑戰(zhàn)，并且總是存在堵塞機會。然而，在該公開內(nèi)容中，該問題并未解決。盡管表明通過該方法生產(chǎn)的硅將是純的，但是其中未解決在硅相中雜質積累的問題。